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浙江大學《MT》IF=31.041：通過實現準均勻表面位錯成核達到其理論極限強度！

2022-05-16 16:45:34 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

隨著納米技術的快速發展和工業生產精度的提高，具有大比表面積的陶瓷納米粒子在醫學、物理、光學和電子等廣泛領域越來越受到關注。在這些領域的成功應用陶瓷納米材料需要深入了解其在任何外力作用下的結構穩定性基礎知識，這通常與單個顆粒的形狀、尺寸和表面條件高度相關，陶瓷納米材料的力學性能在過去幾十年中一直是廣泛研究的主題。

與在合成過程中預先存在的位錯是不可避免的塊狀材料不同，由于體積極小和接近平衡的晶體生長，納米材料通常具有更少甚至為零的缺陷。因此，位錯成核在納米材料的變形中起著至關重要的作用。了解位錯成核機制是控制無缺陷試樣力學性能的關鍵。位錯成核很大程度上取決于表面條件。例如，分子動力學（MD）模擬表明，表面粗糙度可以導致不同的變形機制，其中表面上的原子臺階會產生應力梯度并充當缺陷的優選成核位置，從而導致分散的流動應力，而如果表面波動不均勻，形核應力的變化可能會很大。然而，對原始晶體表面位錯形核的定量研究一直具有挑戰性。關于位錯形核的研究大多基于計算和原子模擬，缺乏實驗資料和證據。如何通過調節這種表面形核控制塑性，并通過實驗調節表面條件來優化陶瓷NPs的力學性能和結構穩定性，仍然是一個有趣的且有待探索的問題。

浙江大學材料科學與工程系QianYu與西安交通大學BoyuLiu等研究人員選擇 MgO 作為研究對象進行原位壓縮測試。研究發現，原始 MgO NP 表面不平整，導致應力集中、負載下的異質位錯成核，因此MgO NP在強度遠低于理論強度時失效。通過電子輻照進行表面處理后，可以在表面上均勻地形成致密的納米結構。表面處理使表面原始缺陷均勻化，不僅防止了應力局部化，而且促進了多個表面位錯形核。結果，改性的 MgO NPs 的強度幾乎是原始的三倍。利用有限元方法模擬了不同表面條件下MgO納米顆粒的應力狀態。這表明，與分布稀疏的大凸塊相比，具有緊密分布的小凸塊的樣品顯示出更均勻的應力分布，這與實驗結果一致。相關研究成果以“Reaching near-theoretical strength by achieving quasi-homogenous surface dislocation nucleation in MgO particles”發表在材料頂刊《Materials Today》上。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122000931

材料的理論強度是使最初無缺陷的晶體變形所需的應力。它涉及在沒有任何缺陷的完美晶體中均勻、無障礙地成核位錯。在真實的納米顆粒中，不平整表面的性質導致應力集中并提供主要的成核位置，這增加了納米顆粒異質位錯成核和結構不穩定性的可能性。由于應力集中已經將局部應力提高到足以在主要位置發生異質位錯成核的程度，因此樣品在相對較低的應力下屈服。常用的方法是通過減少缺陷來提高材料的強度極限。在這里，我們提出了一種替代方法，通過簡單地使缺陷均勻化和小型化來提高強度。利用電子輻照使 MgO NPs 的原始粗糙表面具有納米尺度的圖案，使應力分布更加均勻，位錯的形核更加均勻。在表面缺陷可以減少到納米級并均勻分布的情況下，大量的形核位點可以同時進行，因此材料所能承受的外加應力會更高，甚至接近理論強度水平。通過有限元方法獲得的模擬結果表明，與表面上具有大而稀疏的凸起的樣品相比，表面上具有小而密集的凸起的樣品顯示出相對均勻的應力分布，這與實驗結果一致。

圖1所示：MgO 納米顆粒的結構和形態表征。（a）聚集的 MgO 納米粒子的 TEM 明場圖像。（b）典型 MgO 納米顆粒的 HRTEM 圖像和沿 [100] 光束方向的相應快速傅里葉變換（FFT）圖案。（c） MgO 納米粒子的 STEM-HAADF 圖像和 EDS 映射。（d） MgO 納米粒子的 3D 斷層掃描。

圖2所示：電子束對MgO納米粒子的影響。（a-b）電子輻照下MgO納米顆粒表面納米化的TEM時序圖像。（c） HRTEM圖（左）和TEM明場圖（右）顯示了電子輻照后大于100 nm的MgO納米顆粒的形貌。d HRTEM圖（左）和TEM明場圖（右）顯示了電子輻照后小于100 nm的MgO納米顆粒的形貌。

圖3所示： TEM 內對大于 100 nm 的 MgO 納米顆粒進行的原位壓縮測試。（a）直徑為 320 nm、260 nm 和 200 nm 的 MgO 納米顆粒的應力-應變曲線。（b）從影像 1、2 和 3 中捕獲的 TEM 圖像，顯示了在壓縮測試期間三個 MgO 納米顆粒表面的位錯異質成核。

其他模擬結果也支持表面形態確實對樣品的應力分布有很大影響。Amodeo等人表明形狀對 L12Ni3Al NP 強度的影響是顯著的。對原始立方體顆粒的棱角進行平滑處理，可避免應力集中，起到強化作用。此外，Sharma 等人通過分子動力學模擬表明，均勻的應力分布會促進顆粒內部的均勻位錯成核，這需要更高水平的外加應力才能達到臨界分切應力。在我們的實驗中，在電子輻照下形成的納米結構使表面粗糙度均勻化，這減輕了應力集中并提高了均勻位錯形核的概率，從而使 MgO NP 更強。此外，這些納米結構產生的應力場也可以相互影響和相互作用。模型和仿真結果表明，粗糙體相互作用對力學行為起著重要的控制作用。表面粗化可以影響應力分布，從而抑制位錯的形核和擴展。在粗糙表面成核的位錯將保持在接近表面臺階的平衡位置并在表面附近保持被捕獲，這將在表面附近產生薄的拉伸應力亞層，從而增加平均接觸壓力。

圖4所示：在透射電鏡中對小于100 nm的MgO納米顆粒進行原位壓縮試驗。（a） 60 nm（無涂層）和80 nm（有涂層）MgO納米顆粒的應力-應變曲線。（b）從影像4捕獲的TEM圖像，顯示了小于100 nm的MgO納米顆粒表面的位錯均勻形核。（c）壓縮試驗后不同尺寸NPs的暗場和明場TEM圖像，顯示這些NPs內部產生了大量位錯。（d）透射電鏡（TEM）圖像顯示了在一個包覆碳的80 nmMgO納米顆粒表面的位錯異相形核。

圖 5所示：在原位壓縮試驗中，當預先引入位錯時，MgO NP 強度和連續變形能力較低。（a）載荷深度曲線。（b）從影像5和負載后變形的 NP （b6）捕獲的時間序列 TEM 圖像（b1-b5），顯示了 MgO NP 的變形行為。MgO NP 的尺寸接近 136 nm。首先通過壓縮 MgO NP 的一個角（紅色循環的位置）引入位錯。再次壓縮 NP 以研究 MgO NP 與這些預先引入的位錯的變形行為。

圖6所示：不同表面凸塊尺寸（r）和密度（L/r）的 MgO 模型樣品的計算降低 Von-Mises 應力和塑性應變分布。

在我們的實驗中，由于每次僅使用 TEM 中的電子束對每個粒子進行表面改性，因此劑量不足以影響大粒子。只有小于 100 nm 的小粒子才能被調諧。然而，這表明如果我們精確地調整表面粗糙度并均勻化表面缺陷，則可以實現表面上的準均勻位錯成核并用于優化納米材料的強度。更強的電子束可用于修改更大的樣品，甚至可以通過設計更精確地寫入表面納米圖案。與通過缺陷最小化來改善材料的傳統范式相比，缺陷均質化是一種獨特的策略。它為設計更堅固的材料開辟了一條新途徑。

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